Full Text

Введение. Реактивные электрические машины известны достаточно давно [1-3]. Считалось, что такие машины имеют низкие коэффициенты мощности и полезного действия. Поэтому реактивным машинам в электромашиностроении отводилась незначительная роль (диапазон рациональных мощностей - до нескольких киловатт). В настоящее время на реактивные электрические машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора (РЭМАПР) обратили серьезное внимание. Ротор такой электрической машины пассивный и может быть выполнен с применением двух технологии: продольной шихтовки полюса ротора и поперечной шихтовки ротора со специальными вырезами. Им посвящается все большее количество работ [4] - [9]. Европейский концерн ABB осуществляет серийный выпуск электроприводов на основе четырехполюсных реактивных электрических машин (SynRM) с поперечной шихтовкой ротора [10]. Принцип действия реактивных машин основан на пульсациях индуктивностей обмоток статора [11-13]. Обмотки статора также могут быть двух видов: с длинными (классическими) лобовыми частями и коротким лобовыми частями, исключающими взаимную магнитную связь между фазами. Анизотропная магнитная проводимость ротора при его вращении приводит к пульсациям индуктивностей фаз обмоток статора. Реактивные электрические машины с короткими лобовыми частями обмоток, как правило, выполняются с зубчатым статором и ротором и получили в литературе название вентильно-индукторных [14, 15]. В Крыловском научном центре совместно с кафедрой электропривода Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова выполнены теоретические исследования реактивных электрических машин, по результатам которых опубликованы две монографии [16, 17]. Теоретические исследования проводились с целью обоснования перспективности использования РЭМАПР в электроприводах большой мощности (десятки МВт), в частности в электроприводах гребных винтов. Как известно [18, 19], массогабаритные показатели машин определяет величина электромагнитного момента. При прямой связи электрической машины с гребным винтом машины имеют малое число оборотов (100-300 об/мин) и большой электромагнитный момент. Поэтому особенностью гребных электрических машин являются большие массогабаритные показатели. Вследствие чего массогабаритные показатели являются одним из основных критериев выбора гребных электрических машин. Результаты проведенных исследований [16, 17] показывают, что машины с длинными лобовыми частями обмоток статора имеют меньшие массогабаритные показатели. Поэтому их применение для электрических машин большой мощности является предпочтительным. Реактивные электрические машины, имеющие зубчатый ротор и обмотки с короткими лобовыми частями на статоре, по своим массогабаритным показателям существенно уступают всем другим видам электрических машин [20]. Другим наиболее важным фактором, влияющим на массогабаритные показатели электрической машины, является величина потерь мощности. РЭМАПР не имеют обмоток на роторе и дополнительных обмоток возбуждения на статоре [9]. Это обусловливает их конкурентное преимущество по сравнению с классическими машинами, имеющими обмотки на роторе. У асинхронного электродвигателя наличие обмотки на роторе увеличивает электрические потери по сравнению с РЭМАПР в 1,6-1,8 раза. По показателю электрических потерь РЭМАПР уступают лишь синхронным машинам с постоянными магнитами (СМПМ), у которых токи намагничивания могут отсутствовать. Необходимость намагничивать анизотропный ротор машины приводит к увеличению тока в обмотке статора на 5-13 %. Однако возможность управлять намагниченностью ротора дает РЭМАПР существенные конкурентные преимущества по сравнению с СМПМ. Кроме того, ротор РЭМАПР конструктивно существенно проще и дешевле ротора СМПМ. Следует отметить, что РЭМАПР имеют также лучшие эксплуатационные характеристики по сравнению с СМПМ. Электромагнитный момент РЭМАПР пропорционален размаху пульсаций индуктивностей. Поэтому важным показателем эффективности РЭМАПР является отношение x продольной (максимальной) индуктивности Ld к минимальной (поперечной) Lq. У РЭМАПР с поперечной шихтовкой показатель x » 6¼8, а у машин с продольной шихтовкой x » 10¼12. Поэтому при теоретических исследованиях основное внимании было сосредоточено на РЭМАПР с продольной шихтовкой [21]. На базе выполненных теоретических исследований была разработана методика проектирования РЭМАПР [17]. Для верификации теоретических положений требовалась их экспериментальная проверка, которая была выполнена путем проектирования и изготовления макетных образцов РЭМАПР малой мощности 1,5 кВт, а также на опытном образце мощностью 500 кВт. Параллельно с теоретическими работами велись работы по разработке методов и средств управления ими. Было разработано программное обеспечение для исследования и практического применения электроприводов с РЭМАПР. В данной работе приводятся результаты экспериментальных исследований опытного образца РЭМАПР мощностью 500 кВт с целью проверки соответствия параметров, заложенных изготовителем, теоретических положений и методики проектирования, разработанной в Крыловском научном центре. 1. Конструкция и технология изготовления макетного образца. Аппаратные и программные средства для проведения испытаний. Конструкция и технология. Для проверки теоретических положений и работоспособности предложенной конструкции РЭМАПР был спроектирован и изготовлен макетный образец ротора с анизотропной магнитной проводимостью с продольной шихтовкой [22]. Статор был взят от шестиполюсного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором типа АИР90L6У3 с установленной мощностью 1,5 кВт: число пазов 36, число зубцов 36, активная длина магнитопровода статора 111,54 мм. Полюса ротора с продольной шихтовкой были набраны из загнутых под определенным углом листов электротехнической стали с немагнитными промежутками. Полюса ротора крепятся на шпильки к валу ротора с помощью прижимных шайб и гаек. Параметры ротора: число пластин в полюсе - 15, толщина пластин 0,55 мм, материал пластин - трансформаторная сталь, зазор между пластинами ~ 0,15 мм, диаметр ротора 99,6 мм, активная длина ротора 108,5 мм. На рис. 1 представлена технология изготовления такого ротора. Рис. 1. Технология изготовления ротора реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора с продольной шихтовкой Для придания механической прочности такой конструкции ротора все пустоты между пластинами полюсов и ротором были залиты компаундом на основе эпоксидной смолы, после чего выполнена проточка ротора до требуемого диаметра. Такая технология изготовления позволила в кратчайшие сроки, без использования дорогостоящего оборудования, изготовить ряд роторов различной конструкции. Так, в частности, были изготовлены роторы со скосом полюсов относительно магнитопровода статора (рис. 2). Скос пакета полюса ротора был выполнен на одно зубцовое деление магнитопровода статора. Использование скоса полюсов ротора относительно магнитопроводастатора позволило сгладить зубцовые пульсации индуктивности статорных обмоток и уменьшить пульсации электромагнитного момента. Также для проведения экспериментов по прямому пуску РЭМАПР были изготовлены различные конструкции роторов с пусковой (демпферной) обмоткой. Рис. 2. Заготовка ротора реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью со скосом полюсов ротора (до компаундирования и проточки) Испытания макетов РЭМАПР проводились в составе электропривода с преобразователем частоты. При этом отрабатывалась методика управления такими машинами. Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность и высокие энергетические характеристики предложенной конструкции реактивной электрической машины. Подробные результаты экспериментальных исследований макетных образцов РЭМАПР с продольной шихтовкой представлены в [22, 23]. По результатам исследований макетных образцов проведена работа по совершенствованию методики проектирования, технологии изготовления и теории управления РЭМАПР. В результате теоретических исследований авторами опубликовано множество научных работ в рецензируемых научных журналах [12], [24-27]. Опытный образец РЭМАПР. В рамках опытно конструкторской работы была спроектирована РЭМАПР с продольной шихтовкой ротора. Однако по ряду причин в ПАО «НИПТИЭМ» была изготовлена РЭМАПР с поперечной шихтовкой ротора [5], габаритный чертеж которой приведен на рис. 3. Охлаждение машины принудительное жидкостное. Номинальные данные опытного образца РЭМАПР с поперечной шихтовкой, установленные изготовителем, приведены в таблице (взяты с шильдика). Номинальные данные опытного образца РЭМАПР с поперечной шихтовкой, установленные изготовителем Тип Электрические параметры Масса, кг Р, кВт Частота вращения, об/мин U, В cos j Iн, A СРД 549/6-ОМ5 500 1000 796 0,77 495 2100 243 430 1102 243 470 228 4 отв. Æ 35 148 600 Æ910 430 ЛИР-276А-3-Н-10000-05-ПИ (TTL)-5-1,0-0 ЛИР-ДА158А.02-3-Н-15-05-RS (SSI, двоичный код)-3-2-1,0-0 А Рис. 3. Габаритный чертеж реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора с поперечной шихтовкой На рис. 4 представлено фото ротора реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора с поперечной шихтовкой ротора. Аппаратные и программные средства испытаний. Для управления опытным образцом РЭМАПР мощностью 500 кВт был спроектирован и изготовлен преобразователь частоты со звеном постоянного тока. Выпрямление напряжения сети осуществляется двумя трехфазными диодными мостами, образующими двенадцатипульсную схему выпрямления. Выпрямленное напряжение преобразуется в переменное напряжение трехфазным двухуровным инвертором напряжения. Фото преобразователя частоты представлено на рис. 5. Рис. 4. Ротор реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора с поперечной шихтовкой Рис. 5. Преобразователь частоты для управления реактивным электродвигателем с анизотропной магнитной проводимостью ротора Для управления реактивной электрической машиной была спроектирована, изготовлена и отлажена плата системы управления (рис. 6), которая обладает широкими функциональными возможностями. Она позволяет осуществлять управление различными типами электрических преобразователей и электроприводами с различными типами электрических машин. Рис. 6. Платы системы управления Плата изготовлена с использованием микроконтроллера фирмы Texas Instruments TMS320F28335. Для расширения функциональных возможностей процессорной платы была спроектирована и изготовлена переходная кросс-плата, которая обладает аналоговыми и дискретными входами и выходами и различными интерфейсами связи. В частности, на плате предусмотрено 8 ШИМ-каналов управления силовыми транзисторами с возможностью управления как по оптическому каналу, так и потенциальными сигналами управления, 8 каналов обработки информации ошибок с драйверов. С целью исключения возникновения аварийных ситуаций на плате системы управления предусмотрена аппаратная блокировка одновременного включения верхнего и нижнего силового ключа одного полумоста. На плате системы управления также предусмотрены 16 каналов аналоговых входов, 2 аналоговых выхода, 8 дискретных входов, 4 релейных выхода и 2 транзисторных ШИМ-выхода, а также возможность одновременной обработки информации с абсолютного и инкрементального энкодеров. Помимо того на плате предусмотрены быстродействующие входы и выходы синхронизации, позволяющие использовать несколько плат при управлении сложными электрическими преобразователями, содержащими большое количество полностью управляемых силовых ключей. Широкие функциональные возможности разработанной платы позволяют использовать ее для решения широкого круга задач, связанных с управлением различными электрическими преобразователями и электроприводами на их основе. Разработанное программное обеспечение позволяет осуществлять управление, настройку, а также и осцилографирование переменных управления и значений, получаемых с различных датчиков в режиме реального времени. На рис. 7 представлен интерфейс пользователя компьютерной системы управления электроприводом на базе реактивной машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора. Рис. 7. Интерфейс пользователя Компьютерная программа позволяет осуществлять построение и запись различных графиков динамических процессов в электроприводе, а также автоматизированно производить идентификацию параметров реактивного электродвигателя с анизотропной магнитной проводимостью ротора. Система управления и программное обеспечение испытаний. Характеристики электрической машины определяются не только ее параметрами, заложенными при ее изготовлении, но используемой системой управления. В классической теории электрических машин характеристики функционирования машины обычно приводятся при номинальной постоянной амплитуде и частоте синусоидального напряжения [2, 3]. Однако в настоящее время электрические машины обычно питаются от преобразователей частоты, что позволяет использовать для их управления различные алгоритмы. Наиболее распространены алгоритмы управления, предполагающие представление тока статора в виде вектора в системе координат d-q, одна из координат которого (обычно d) является током намагничивания id, а другая (q) - током нагрузки iq. Структурная схема системы управления, использовавшаяся при испытаниях опытного образца РЭМАПР, приведена на (рис. 8). Настройка регуляторов выполнена по принципу технического оптимума. Сигналы управления yD* и yQ* задают значения соответственно тока намагничивания и нагрузки. Контур тока намагничивания Контур тока нагрузки Д Д ПЧ от А Б М Рис. 8. Структурная схема системы управления реактивной машиной с анизотропной магнитной проводимостью ротора реализующая алгоритм управления с максимальным быстродействием: А - регулятор тока намагничивания; Б - регулятор тока нагрузки; Д - блоки преобразования напряжений и токов статора; ПЧ - преобразователь частоты Испытательный стенд. Испытания РЭМАПР сноминальной мощностью 500 кВт и номинальным числом 1000 об/мин проводились на испытательной установке, схема которой приведена на рис. 9. Нагрузка РЭМАПР производилась тремя нагрузочными машинами постоянного тока номинальной мощностью 400 кВт и номинальным числом 1500 об/мин. На рис. 10 представлено фото исследовательского стенда опытного образца РЭМАПР (на переднем плане). Y Y D Сеть QF М1 TV М2 UZ2 LМ2 R1 R2 Сеть UZ1 Рис. 9.Схема испытательной установки РЭМАПР: QF - автоматический выключатель; TV - согласующий трансформатор; UZ1 - преобразователь частоты; М1 - РЭМАПР; М2 - нагрузочные машины постоянного тока; UZ2 - тиристорный преобразователь; R1 - тормозной резистор; R2 - нагрузочный резистор Рис. 10. Исследовательский стенд опытного образца РЭМАПР 2. Результаты статических испытаний опытного образца РЭМАПР. Относительные единицы. При анализе результатов испытаний использованы относительные единицы - отношения именованных величин к базовым. Переменные и параметры, представленные в относительных единицах, помечаются верхним индексом*. За основные базовые величины приняты номинальный ток статора Iн = 495 А, номинальное фазное напряжение Uн = 460 В и угловая часта сети wб = 314 рад/с. Производные базовые величины определяются из основных по соотношениям: Ом; мГн; кВт; кНм; рад/с, где - число пар полюсов электрической машины (для исследуемого макетного образца = 3). Кривые намагничивания - зависимости модуля действующего значения фазного напряжения на обмотке статора U* от тока намагничивания Id* - приведены на рис. 11 при относительных токах нагрузки Iq* = 0, 0,5 и 1. Рис. 11. Кривая намагничивания опытного образца РЭМАПР в относительных единицах Поскольку номинальный ток намагничивания не определен изготовителем РЭМАПР, то он был выбран по кривой намагничивания, Id* = 0,311, так, чтобы под номинальной нагрузкой напряжение на обмотках статора было равно номинальному значению. Из значения номинального тока намагничивания номинальный ток нагрузки определен выражением: . Таким образом, принятое относительное номинальное значение токов намагничивания и нагрузки Id* = 0,311 и Iqн* = 0,95. Электромагнитный момент РЭМАПР. В испытательном стенде отсутствовало оборудование для непосредственного измерения электромагнитного момента. Поэтому относительный электромагнитный момент РЭМАПР определяется путем вычислений по формуле: , (1) где Ld* - полная относительная статическая продольная индуктивность; Lq* - полная относительная статическая поперечная индуктивность; Id*и Iq* - относительные токи намагничивания и нагрузки в системе координат d-q. Исследования показали, что полная поперечная индуктивность машины не зависит от тока нагрузки, а ее относительная величина при номинальном токе намагничивания и номинальном токе нагрузки Lq* = 0,38. Идентификация полной продольной индуктивности опытного образца РЭМАПР по математической модели показала, что ее величина зависит не только от тока намагничивания, но и от тока нагрузки. На рис. 12 приведена зависимость полной продольной индуктивности обмотки статора от тока нагрузки при номинальном токе намагничивания в относительных единицах. При относительном значении тока нагрузки Iq* = 1,18 полная продольная индуктивность обмотки статора уменьшилась на 21 %. Таким образом, из приведенных данных следует, что увеличение тока нагрузки ведет к размагничиванию машины и снижению электромагнитного момента. Влияние на полную продольную индуктивность токов нагрузки Iq* кратностью больше 1,18 оказалось невозможным из-за ограничений по максимальному току преобразователя частоты. Однако из проведенных исследований следует, что целесообразно варьировать токи намагничивания и нагрузки так, чтобы получать максимальные значения электромагнитного момента при заданном токе обмотки статора. Рис. 12. Зависимость полной продольной индуктивности обмотки статора от тока нагрузки при номинальном токе намагничивания в относительных единицах Рабочие характеристики. Рабочие характеристики снимались в стационарном режиме работы. Под рабочими характеристиками понимаются зависимости, представленные в относительных единицах, от коэффициента загрузки при номинальном токе намагничивания (Id* = 0,311) и номинальной частоте (w* = 1): частоты вращения w*, тока статора I*, электромагнитного момента M*, коэффициента мощности cos(j) и коэффициента полезного действия h. Коэффициент загрузки машины определяется как отношение kз = Iq/Iqн. Электромагнитный момент вычислялся по формуле (1). Относительный ток статора вычислялся по формуле: . Коэффициент мощности и коэффициент полезного действия вычислялись по формулам: ; , где Ud* и Uq* - относительные напряжения на обмотке статора в системе координат d-q; w* - относительная частота токов статора. Графики рабочих характеристик при постоянном токе намагничивания приведены на рис. 13. Рис. 13. Рабочие характеристики РЭМАПР в относительных единицах при постоянном номинальном токе намагничивания Динамические характеристики РЭМАПР. Динамические характеристики определяются как физическими параметрами машины, так и настройками системы управления. Испытания опытного образца РЭМАПР проводились при использовании алгоритма управления, определенного структурной схемой, представленной на рис. 8, и настройке регуляторов тока намагничивания и нагрузки на технический оптимум. В результате испытаний снимались переходные характеристики переменных состояния электропривода: относительный ток намагничивания id* и нагрузки iq*, а также относительная скорость вращения ротора w*. На рис. 14 представлены графики переходного процесса при пуске в ход РЭМАПР без осуществления предварительного намагничивания, а на рис. 15 - графики переходного процесса при пуске в ход РЭМАПР с предварительным намагничиванием током Id* = 0,311, при этом максимальная величина пускового тока Iq* была ограничена возможностями преобразователя частоты (I* = 1,227) и не могла превышать значения 1,18. а б Рис. 14. Графики токов статора id*, iq* и скорости вращения ротора w* при пуске без предварительного намагничивания в относительных единицах: а - без компенсации влияния тока iq* на id*; б - с компенсацией а б Рис. 15. Графики токов статора id*, iq* и скорости вращения ротора w* при пуске с предварительным намагничиванием в относительных единицах: а - без компенсации влияния тока iq* на id*; б - с компенсацией Тепловые испытания РЭМАПР. Тепловой режим работы машины определяет нагрузка. Наиболее нагретым элементом машины является обмотка статора. На тепловое повреждение изоляции приходится наибольшее число отказов. Чем выше нагрузка, тем выше температура изоляции обмотки статора. Ресурс изоляции уменьшается вдвое при увеличении рабочей температуры на каждые 10 °С и может быть вычислен по формуле , где Dt - снижение температуры относительно температурного индекса изоляции, в °С; Tн - ресурс изоляции при нагреве до температуры, соответствующей температурному индексу (Tн = 20 000 ч). Температурный индекс изоляции класса H составляет 180 °С. Обычно для повышения ресурса машины допустимую температуру нагрева изоляции снижают на Dt = 20 °С относительно ее температурного индекса. Допустимая температура обмотки для изоляции класса H составляет 160 °С. При тепловых испытаниях температура нагрева обмотки измерялась в ее лобовой части. Температура окружающей среды при тепловых испытаниях составляла ~20 °С. Результаты испытаний показали, что при длительном режиме работы с номинальным значением относительного тока статора Iн*= 1 температура перегрева обмотки составила 71,8 °С. При относительном токе статора I* = 1,227 температура перегрева обмотки статора составила 108 °С. Температуре перегрева обмотки 120 °С в длительном режиме работы будет соответствовать относительное значение тока I* = 1,29. При этом расчетный ресурс изоляции обмотки составит 80 000 ч. Выводы. Испытания опытного образца РЭМАПР показали, что он удовлетворяет заявленным данным и может быть использован на судах в качестве гребного электродвигателя. При принятом относительном значении тока намагничивания Id* = 0,311 коэффициент мощности машины при номинальном токе нагрузки достигает значения 0,76. Исследования показали, что для достижения максимального электромагнитного момента целесообразно поднять относительный ток намагничивания до Id* = 0,45, а напряжение увеличить на 11 %. При этом коэффициент мощности составит 0,75, а номинальная мощность, которую можно получить на валу электрической машины, составит 565 кВт. Номинальный коэффициент полезного действия машины составил 0,97. Тепловые испытания показали, что установленное номинальное значение тока статора 495 А может быть повышено до значения 650 А. В этом случае температура перегрева обмотки РЭМАПР будет составлять 120 °С, а мощность на валу - 670 кВт при ресурсе изоляции обмотки 80 000 ч. Удельная масса опытного образца РЭМАПР при мощности 670 кВт составит 3,13 т/МВт. Аналогичный образец асинхронной машины имеет удельную массу ~6 т/МВт. Проведенные испытания позволили выполнить верификацию теоретических исследований и разработанной методики проектирования РЭМАПР, а также показали их адекватность.

About the authors

F. A Gelver

Krylov State Research Center; GUMRF them. Admiral S.O. Makarov

I. V Belousov

Krylov State Research Center; GUMRF them. Admiral S.O. Makarov

V. F Samoseiko

Krylov State Research Center; GUMRF them. Admiral S.O. Makarov

References

Statistics

Views

Abstract - 35

PDF (Russian) - 22

Refbacks

• There are currently no refbacks.